物理人教版选修3-4第十四章+电磁波14-1+Word版含答案

[目标定位]　1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本观点以及在物理学发展史上的意义.2.了解电磁波的特点及其发展过程，通过电磁波体会电磁场的物理性质.3.了解振荡电流、振荡电路及LC电路的振荡过程，会求LC电路的周期与频率．
一、电磁波的发现
1．伟大的预言
(1)麦克斯韦电磁场理论的基本观点：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．
(2)如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成了电磁波．
2．电磁波
(1)根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波．
(2)电磁波在真空中传播的速度等于光速c，麦克斯韦指出了光的电磁本质．
3．赫兹的电火花
赫兹做了一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度．这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波．
4．电磁波与机械波的比较
(1)电磁波和机械波的共同点
①二者都能产生干涉和衍射．
②二者在不同介质中传播时频率不变．
③二者都满足波的公式v＝＝λf.
(2)电磁波和机械波的区别
①二者本质不同
电磁波是电磁场的传播，机械波是质点机械振动的传播．
②传播机理不同
电磁波的传播机理是电磁场交替感应，机械波的传播机理是质点间的机械作用．
③电磁波传播不需要介质，而机械波传播需要介质．
④电磁波是横波，机械波既有横波又有纵波，甚至有的机械波同时有横波和纵波，例如地震波．
【深度思考】
空间存在如图1所示的电场，那么在空间能不能产生磁场？在空间能不能形成电磁波？
图1
答案　如题图所示的电场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场，但磁场恒定，不会激发出新的电场，故不会产生电磁波．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例1】　关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
解析　根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场．
答案　D
1．恒定的磁场不会产生电场，同样，恒定的电场也不会产生磁场．
2．均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场，同样，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场．
3．周期性变化的磁场在周围空间产生同频率周期性变化的电场，同样，周期性变化的电场在周围空间产生同频率周期性变化的磁场．
【例2】　下列说法正确的是(　　)
A．电磁波在真空中以光速c传播
B．在空气中传播的声波是横波
C．声波只能在空气中传播
D．光需要介质才能传播
解析　电磁波在真空中以光速c＝3×108 m/s传播，A项正确；在空气中传播的声波是纵波，B项错误；声波不仅可以在空气中传播，也可以在液体、固体等介质中传播，C项错误；光属于电磁波，可以在真空中传播，D项错误．
答案　A
针对训练　(多选)以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是(　　)
A．机械波和电磁波，本质上是一致的
B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关
C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波
D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
解析　机械波由振动产生；电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生，机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定，电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项B、C、D正确．
答案　BCD
机械波的传播速度完全由介质决定，而电磁波的传播速度是由介质和频率共同决定.
二、电磁振荡
1．电磁振荡的产生
(1)振荡电流和振荡电路
①振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流．
②振荡电路：产生振荡电流的电路．最简单的振荡电路为LC振荡电路．
(2)电磁振荡的过程
放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，电容器极板上的电荷逐渐减少，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能，振荡电流逐渐增大，放电完毕，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能．
充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向逐渐减小，电容器将进行反向充电，线圈的磁场逐渐减弱，电容器里的电场逐渐增强，磁场能逐渐转化为电场能，振荡电流逐渐减小，充电完毕，电流减小为零，磁场能全部转化为电场能.
此后，这样充电和放电的过程反复进行下去．
如图2所示
图2
2．电磁振荡的周期和频率
(1)电磁振荡的周期T：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．
(2)电磁振荡的频率f：1 s内完成的周期性变化的次数．
(3)LC电路的周期T、频率f与自感系数L、电容C的关系是T＝2π、f＝.
【深度思考】
为什么LC回路放电完毕时，电流反而最大？
答案　开始放电时，由于线圈的自感作用，放电电流不是突然变大，而是逐步增大，随着线圈的阻碍作用减弱，放电电流逐渐增大．当放电完毕时，线圈的阻碍最小，电流达到最大．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例3】　 (多选)图3是LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是(　　)
图3
A．电容器正在充电
B．电感线圈中的磁场能正在增加
C．电感线圈中的电流正在增大
D．此时刻自感电动势正在阻碍电流增大
解析　由题图中磁感应强度的方向和右手螺旋定则可知，此时电流向着电容器带负电的极板流动，也就是电容器处于放电过程中，这时两极板上的电荷量和电压、电场能处于减少过程，而电流和线圈中的磁场能处于增加过程，由楞次定律可知，线圈中的感应电动势阻碍电流的增大．
答案　BCD
1．判断电容器是充电还是放电，一般依据电流的方向，电
流由正极板流出为放电，向正极板流入为充电．
2．判断电场能和磁场能的转化要依据电流的增减或极板
上电荷量的增减．
3．自感电动势的作用是阻碍电流的增大还是阻碍电流的减小，
可依据放电电流不断增大，充电电流不断减小来判断．
【例4】　(多选)如图4所示，L为一电阻可忽略的线圈，D为一灯泡，C为电容器，开关S处于闭合状态，灯泡D正常发光，现突然断开S，并开始计时，能正确反映电容器a极板上电荷量q及LC回路中电流i(规定顺时针方向为正)随时间变化的图象是(图中q为正值表示a极板带正电)(　　)
图4
解析　S断开前，电容器C短路，线圈中电流从上到下，电容器不带电；S断开时，线圈L中产生自感电动势，阻碍电流减小，给电容器C充电，此时LC回路中电流i沿顺时针方向(正向)最大；给电容器充电过程，电容器充电量最大时(a板带负电)，线圈L中电流减为零．此后，LC回路发生电磁振荡形成交变电流．综上所述，选项B、C正确．
答案　BC
1．线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ、磁场能E磁与电流i的变化规律相同；电容器极板间的电压u、电场强度E、电场能E电、线圈自感电动势E线的变化规律与电荷量q的变化规律相同．
2．上述两组物理量，当其中一组物理量增大时，另一组物理量随之减小.
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1．(麦克斯韦电磁场理论)下列说法中正确的是(　　)
A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
答案　C
解析　根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是稳定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场．故选C.
2．(麦克斯韦电磁场理论)用麦克斯韦的电磁场理论判断，图中表示电场(或磁场)产生磁场(或电场)的正确图象是(　　)
答案　C
解析　A图中的左图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A图错误；B图中的左图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，右图的磁场应是稳定的，所以B图错误；C图中的左图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差，C图正确，D图错误．
3．(对电磁波的认识)(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)
A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关
B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波
C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直
D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输
答案　ABC
解析　电磁波在真空中的传播速度为3×108m/s，与电磁波的频率无关，A项正确；周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场又产生周期性变化的电场，它们相互激发向周围传播，就形成了电磁波，B项正确；电磁波是横波，因此其电场强度和磁感应强度均与传播方向垂直，C项正确；光是电磁波，利用光纤对光的全反射可以传播信息，D项错误．
4．(电磁波的特点)(多选)下列关于电磁波的说法中，正确的是(　　)
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108 m/s
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D．电磁波不能产生干涉、衍射现象
答案　AC
解析　电磁波在真空中的传播速度为光速c＝3.0×108 m/s，且c＝λf，从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变．电磁波仍具有波的特征，电磁波只有在真空中的速度才为3.0×108 m/s，在其他介质中的传播速度小于3.0×108 m/s.
5．(电磁振荡)(多选)在LC回路中，电容器两端的电压随时间t变化的关系如图5所示，则(　　)
图5
A．在时刻t1，电路中的电流最大
B．在时刻t2，电路中的磁场能最大
C．从时刻t2至t3，电路的电场能不断增大
D．从时刻t3至t4，电容器的带电荷量不断增大
答案　AD
解析　电磁振荡中的物理量可分为两组：①电容器带电量q、极板间电压u、电场强度E及电场能为一组；②自感线圈中的电流i、磁感应强度B及磁场能为一组．同组量的大小变化规律一致，同增同减同为最大或为零．异组量的大小变化规律相反，若q、E、u等量按正弦规律变化，则i、B等量必按余弦规律变化．根据上述分析由题图可以看出，本题正确选项为A、D.
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　麦克斯韦电磁场理论
1．建立了完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是(　　)
A．法拉第 B．奥斯特 C．赫兹 D．麦克斯韦
答案　D
解析　麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项D正确．
2．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场
C．稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场
D．均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场
答案　ABD
解析　变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流， 若无闭合回路电场仍然存在，A正确；电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故C错，D对；恒定电流周围存在稳定磁场，B对．
3．(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，以下叙述中正确的是(　　)
A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B．打点计时器工作时周围必有磁场和电场
C．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场激发稳定的电场
D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直
答案　ABD
4．(多选)某空间出现了如图1所示的一组闭合电场线，这可能是(　　)
图1
A．沿AB方向磁场在迅速减弱
B．沿AB方向磁场在迅速增强
C．沿BA方向磁场在迅速增强
D．沿BA方向磁场在迅速减弱
答案　AC
解析　根据电磁感应，闭合回路中的磁通量发生变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断．根据麦克斯韦电磁场理论，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中受到了电场力作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间内磁场变化产生的电场方向，仍然可用楞次定律判断，四指环绕方向即为感应电场的方向，由此可知，选项A、C正确．
题组二　电磁波的特点
5．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．电磁波只能在真空中传播
B．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
C．电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波
D．频率为750 kHz的电磁波在真空中传播时，其波长为400 m
答案　CD
解析　电磁波不仅可以在真空中传播，还可以在介质中传播，选项A错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，选项B错误；电磁场的传播就是电磁波，选项C正确；频率为750 kHz的电磁波的波长为：λ＝＝ m＝400 m，选项D正确．
6．(多选)以下关于电磁波的说法中正确的是(　　)
A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．电磁振荡一旦停止，电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随有能量向外传递的
答案　CD
解析　如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是稳定的，就不能再产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波；电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质；电磁振荡停止后，电磁波仍独立存在；电磁波具有能量，它的传播是伴随有能量传递的．故选C、D.
7．类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率．在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处．某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是(　　)
A．机械波的频率、波长和波速三者满足的关系对电磁波也适用
B．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象
C．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播
D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波
答案　D
解析　频率、波长和波速三者满足的关系v＝λf对所有波都适用，选项A正确；干涉和衍射是波特有的现象，选项B正确；电磁波是电磁场传播形成的，所以电磁波可以在真空中传播，而机械波是依靠质点带动传播的，依赖于介质，选项C正确；电磁波在传播过程中电场的电场强度E和磁场的磁感应强度B的方向都与波的传播方向垂直，所以电磁波应为横波，选项D错误．
8．有关电磁波和声波，下列说法错误的是(　　)
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大
C．电磁波是横波，声波也是横波
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长
答案　C
解析　电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，故选项A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，故选项B正确；电磁波的传播方向与E、B的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，故选项C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，故选项D正确．
题组三　电磁振荡
9．(多选)关于LC振荡电路中电容器两极板上的电荷量，下列说法正确的是(　　)
A．电荷量最大时，线圈中振荡电流也最大
B．电荷量为零时，线圈中振荡电流最大
C．电荷量增大的过程中，电路中的磁场能转化为电场能
D．电荷量减少的过程中，电路中的磁场能转化为电场能
答案　BC
解析　电容器电荷量最大时，振荡电流为零，A错；电荷量为零时，放电结束，振荡电流最大，B对；电荷量增大时，磁场能转化为电场能，C对；同理可判断D错．
10．如图2所示的LC振荡电路中，已知某时刻电流i的方向指向A板，且正在增大，则此时(　　)
图2
A．A板带正电
B．线圈L两端电压在增大
C．电容器C正在充电
D．电场能正在转化为磁场能
答案　D
解析　电路中的电流正在增大，说明电容器正在放电，选项C错误；电容器放电时，电流从带正电的极板流向带负电的极板，则A板带负电，选项A错误；电容器放电，电容器两板间的电压减小，线圈两端的电压减小，选项B错误；电容器放电，电场能减少，电流增大，磁场能增大，电场能正在转化为磁场能，选项D正确．
11．在LC回路中发生电磁振荡时，以下说法正确的是(　　)
A．电容器的某一极板，从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止，这一段时间为一个周期
B．当电容器放电完毕瞬间，回路中的电流为零
C．提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大
D．要提高振荡频率，可减小电容器极板间的正对面积
答案　D
解析　电容器某一极板从带最多的正电荷到带最多的负电荷这段时间，电容器完成了放电和反向充电过程，时间为半个周期，A错误；电容器放电完毕瞬间，电路中电场能最小，磁场能最大，故电路中的电流最大，B错误；振荡周期仅由电路本身决定，与充电电压等无关，C错误；提高振荡频率，就是减小振荡周期，可通过减小电容器极板正对面积来减小电容C，达到增大振荡频率的目的，D正确．
12．在LC振荡电路中，用以下的哪种办法可以使振荡频率增大一倍(　　)
A．自感L和电容C都增大一倍
B．自感L增大一倍，电容C减小一半
C．自感L减小一半，电容C增大一倍
D．自感L和电容C都减小一半
答案　D
解析　据LC振荡电路频率公式f＝，当L、C都减小一半时，f增大一倍，故选项D是正确的．
13．(多选)LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图3所示，则(　　)
图3
A．若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由b向a
B．若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电
C．若磁场正在增强，则电场能正在减少，电容器上极板带正电
D．若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b
答案　ABC
解析　若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程，根据安培定则可确定电流由b向a，电场能增大，上极板带负电，故选项A、B正确；若磁场正在增强，则电流在增大，是放电过程，电场能正在减小，根据安培定则，可判断电流由a向b，上极板带正电，故选项C正确，D错误．
14．如图4所示为振荡电路在某一时刻的电容器带电情况和电感线圈中的磁感线方向情况．由图可知，电感线圈中的电流正在________(填“增大”“减小”或“不变”)．如果电流的振荡周期为T＝10－4s，电容C＝250 μF，则线圈自感系数L＝________H.
图4
答案　减小　10－6
解析　根据磁感线方向，应用安培定则可判断出电流方向，从而可知电容器在充电，电流会越来越小．根据振荡电流的周期公式T＝2π，
得L＝＝ H≈10－6H.